DE2056084B2

DE2056084B2 - Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines Glei chstrommotors

Info

Publication number: DE2056084B2
Application number: DE2056084A
Authority: DE
Inventors: James Lydell Bacon; George William Van Cleave
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-11-18
Filing date: 1970-11-14
Publication date: 1974-04-25
Also published as: US3568027A; JPS5016482B1; DE2056084C3; CH517410A; GB1286573A; DE2056084A1; FR2071795A5

Description

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T₄) in der Ankernach bildung (6) und der Transistor (T₃) im Differenzverstärker (8) in ihren Werten so gewählt und angeordnet sind, daß sich ihre Basis-Lmiiterspannungen kompensieren.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugs- <>o gleichspannungsquelle (5, 15) in der Ankernachbildung (6) wenigstens einen zu einer Zenerdiode (15) parallelgeschalteten einstellbaren Spannungsteiler (5) enthält, dessen Abgriff (B) mit der Basis des Transistors (T₄) in der Ankernachbildung (6) ft.s verbunden ist, und daß diese Parallelschaltung einerseits mit der ankernachbildungsscitigcn Klemme (A) und andererseits über einen Widerstand mit der anderen Klemme (O) der GleichspannungsqueLle verbunden ist

7 Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgieichspannungsquelle zwei zur Zenerdiode 15) parallelgeschaltete, einstellbare Spannungsteiler (25 26) enthält deren Abgriffe wahlweise durch einen Schälter (27) mit der Basis des Transistors (T₄.) m der Ankernachbildung (6) verbindbar sind (F i g. 3)

3 Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder D. dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgleichspannungsquelle eine Zenerdiode (15) und eine mehrgliedrige Spannungsteilerschaltung umfaßt, die wenigstens ein einstellbares Potentiometer (22, 30) enthält und deren Einstellbereiche stufenweise oder kontinuierlich wählbar sind (Fig. 2 und 4).

9 Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Basiseingang des Transistors (T₃) im Differenzverstärker (8) und die Basiseingänge der Transistoren (T₁, T₂) der Stromfühler (3) ein Kondensator (9) geschaltet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Kleinmotors, unter Heranziehung der Gegen-EMK und des Spannungsabfalls am Ankerwiderstand bestehend aus einer an einer Gleichspannungsquelle liegenden Brückenschaltung mit eine, c .ten Brückenhälfte, die den Anker und einen Widerstand enthält, einer zweiten Brückenhälfte mit in Reihe geschalteten Widerständen und einem in der Meßdiagonale angeordneten Regelglied.

Diese Schaltungsanordnung bezweckt eine Verbilligung der Herstellungskosten und eine Verbesserung des Antriebes von Geräten, bei denen eine schwankende Belastung, eine schwankende Speisespannung und Temperaturänderungen vorliegen. I derartige sich auf den Antrieb nachteilig auswirkende Einflüsse treten beispielsweise bei batteriegespeisten Reisediktiergeräten, Filmgeräten und Magnettongeräten auf Aber auch vom Speisenet? unabhängige traebare Kleinstrechner oder andere Geräte der Bürotechnik sind davon betroffen. So ändert sich bei einem Magnetbandgerät die Belastung des Motors in Abhängigkeit von der Menge des auf eine Spule gewickelten Bandes. Derartige Geräte haben auch verschiedene wählbare Bandgeschwindigkeiten.

In der Technik wird verhältnismäßig oft die Aufgabe gestellt, einen motorischen Antrieb zu bauen, dessen Drehzahl einstellbar und von der Belastung in gewissen Grenzen unabhängig ist und bei dem Belastungsänderungen sowie Spannungs- u-ul !emperatureinflüsse selbsttätig ausgeregelt werden.

Fs sind daher Motorsteuer- und -regelschaltungen, insbesondere für Gleichstrommotoren, entwickelt worden, die Vorrichtungen zur Drehzahlmessung einschließen und bei denen aus dieser Messung Korrekturgrößen abgeleitet werden. Derartige Meßvorrichtungen enthalten gewöhnlich einen Tachogenerator, dessen erzeugte Spannung als Istwert mit einem Sollwert verglichen wird, wobei dann die sich ergebende Differenz zur Steuerung eines Regclgliedes dient, durch das die Motorerregung, die Speisespannung oder eine

andere, die Drehzahl beeinflussende Größe geändert wird. Derartige Meß- und Regeleinrichtungen sind relativ aufwendig, und sie sind zweckmäßigerweise nur für Antriebe größerer Leistung geeignet und nicht für die vorgenannten batteriegespeisten Geräte. Fs sind auch eine große Anzahl mechanischer und elektromechanischer Regeleinrichtungen bekanntgeworden, die nach dem Fliehkraftprinzip arbeiten, bei denen durch Schaltkontakte oder Widerstände Ströme bzw. Spannungen verändert werden. Diese mechanischen oder elektromechanischen Regler sind nicht genau und zuverlässig, und sie entsprechen nicht immer den gestellten Forderungen. Andere, rein elektronische Schaltungsanordnungen nutzen die elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) aus, die ein Gleichstrommotor im Betrieb entwickelt, um eine Drehzahlregelung zu bewirken.

In bestimmten Fällen sind auch die nachteiligen Einflüsse von Temperaturänderung^n auf den Motor lind oder die Regelanordnung zu kompensieren, welche Drehzahländerungen des Motors oder Änderungen in der Charakteristik der Regeleinrichtung bewirken können.

In der Fachzeitschrift »Regelungstechnik«, 6. Jahrgang, 1958, Heft 10, S. 356 bis 358, ist in einem Aufsatz »Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors ohne Tachomaschine« eine Meß- und Regelanordnung beschrieben, bei der an Stelle der Drehzahl des Motors die der Drehzahl proportionale elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) in einer Brückenscbaltung ermittelt wird. Der Istwert dieser Gegen-EMK wird mit einem Sollspannungswert verglichen, und durch die sich ergebende Differenzspannung wird ein Regler gesteuert, der dann die Felderregung eines mit dem Motor verbundenen Leonardgenerators so ändert oder einen den Motor speisenden Magnetverstärker so steuert, di.ß die Drehzahl dem Sollwert entspricht. Diese bekannte Brücktaschaltung zur Ermittlung der Gegen-EMK besteht aus zwei parallelen, an der Speisespannung liegenden Brückenhälften. Die eine Brückenhälfte, die den Ankerstrom führt, besteht aus der Reihenschaltung des Ankers und eines Zusatzwiderstandes. Dieser Zusatzwiderstand kann eine Wendepolwicklung des Motors sein. Die andere Brückenhälfte enthält zwei in Reihe geschaltete Widerstände, deren Widerstandswerte so gewählt sind, diß bei stillstehendem Motor die an eine Gleichspannungsquelle gelegte Brücke abgeglichen ist. Wenn sich die Brückenelemente, speziell der Anker und der Zusatzwiderstand, gleichmäßig erwarmen, ist in der Brückenschaltung eine genaue Temperaturkompensation gegeben. Is ist ein Nachteil dieser bekannten Drel.zahlregeleinrichtung, daß sie einen Regler enthält, der die Felderregung des Leonardeenerators ändert oder den Magnetverstärker su:u«.i ι. Eine derartige Regelung ist in manchen Anwendungsfällen zu träge und ungenau und kann zu Pendelungen führen. Diese bekannte Regeleinrichtung ist bei den eingangs genannten Geräteantrieben aus den vorgenanuien Gründen nicht zufriedenstellend geeignet, und außerdem ist sie zu aufwendig.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines konstam erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Motors mit kleiner Leistung, zu schaffen, die sehr empfindlich, trägheitsarm und sehr genau ist und die zu ihrem Betrieb wenig Energie benötigt. Eine weitere wesentliche Forderung besteht darin, daß diese Schaltungsanordnung einen sehr einfachen Aufbau mit weniger; Bauelementen aufweist, so daß sie in kompakter Bauweise billig zu fertigen und für die Massenfabrikation geeignet ist. Diese Schaltungsanordnung soll außerdem eine lineare Regelcharakteristik aufweisen, Potentialänderungen selbst ausgleichen und temperaturkompensiert sein. Das heißt, Temperaturänderungen, die auf den Motor und/oder die Schaltungsanordnung einwirken, sollen ohne Auswirkung auf die Drehzahl selbsttätig ausgeglichen

ίο werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Brückenhälfte aus der Reihenschaltung des Ankers und eines Stromfühlers, beste-

hend aus einem Transistor und einem Widerstand, und die zweite Brückenhälfte aus der Reihenschaltung einer Ankernachbildung und eines weiteren Stromfühlers, bestehend aus einem Transistor und einem Widerstand, gebildet ist, daß die Ankernachbildung eine stabilisierte, dem Sollwert der Gegen-EMK entsprechende Bezugsspannung bildet und daß ein Differenzverstärker, der auf die miteinander verbundenen Basiseingänge der beiden Transistoren einwirkt, als Regelglied dient

Diese Schaltungsanordnung, die in ihrem Aufbau einer Brückenschaltung entspricht, enthält darin eine Fühlanordnung zur indirekten Bestimmung des Istwertes der Motordrehzahl, die als Gegen-EMK des Ankers dargestellt wird, eine Vergleichseinrichtung des Istwertes mit dem Sollwert d^r Drehzahl und ein die Drehzahlabweichung ausgleichendes Regelglied, das aus einem an die Meßklemmen angeschlossenen Transistor besteht, der als Differenzverstärker wirkt. Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung basiert auf dem Prinzip, daß bei einer Abweichung der Drehzahl vom Sollwert sich auch die Gegen-EMK des Ankers ändert, und durch sie wird bewirkt, daß diese Abweichung der Gegen-EMK vom Sollwert durch eine Änderung der Ankerspannung geändert wird,

1. B. derart, daß bei einer Erhöhung der Motorbelastung eine höhere Spannung an den Ankerklemmen liegt, obwohl die äußere angelegte Speisespannung sich nicht ändert. Bei einer Laständerung am Motor und durch die sich dadurch ergebende Änderung des Ankerstromes in der ersten, den Ankerstrom führenden Brückenhälfte bewirkt die Schaltungsanordnung eine Verschiebung der Spannungen an den Bauelementen dieser ersten BrUckenhälfte, derart, daß die Änderung des Spannungsabfalles am Ankerwiderstand des Motors kompensiert wird, so daß sich wieder die der Solldrehzahl entsprechende Gegen-EMK am Anker des Motors einstellt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand von Schaltbildern näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 2 bis 4 Anordnungen zur Linsteilung der Solldrehzahl.

Theoretische Gesichtspunkte

Die Grundgedanken der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden nachstehend an Hand der F i g. 1 erklärt. Um das Verständnis für den Aufbau 6s und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu erleichtern, wird für das nachstehend erläuterte Ausführungsbeispiel ein Gleichstrommotor mit einem eisenfreien Anker vorausge-

setzt. Obwohl dem Fachmann Gleichstrommotoren mit eisenfreiem Anker bekannt sind, beispielsweise als Glockenanker oder hohlzylindrische Rotoren mit aufgedruckter Ankerwicklung, sollen sich die nachstehenden Erläuterungen auf einen theoretischen Motor mit idealen Eigenschaften beziehen, denn bei einer derartigen Motorausführung besteht ein lineares Verhältnis zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment. Dabei ergeben sich die folgenden einfachen rechnerischen Beziehungen, aus welchen die Zusammenhänge gut zu erkennen sind. Bei Motorankern, die Eisen enthalten, ergeben sich durch die Ankerrückwirkung, die magnetische Sättigung, durch magnetische Streufelder und durch die größere Masse des Ankers komplizierten, rechnerische Beziehungen, in denen die verschiedenen Einflüsse durch entsprechende Korrekturkoeffizienten zu berücksichtigen sind. Dadurch wird die allgemeine Erklärung und die einfache Übersicht erschwert.

Die nachstehend beschriebene Schaltungsanordnung nutzt das lineare Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment, das, wie bereits vorstehend erwähnt wurde, bei Gleichstrommotoren mit eisenfreiem Anker gegeben ist. Bei einem derartiges Motor sieht dessen Gegen-EMK E und der Motorstrom / zur Klemmenspannung U bekanntlich in folgender Beziehung:

U = E + IR_A.

U)

Dabei hängt das Motordrehmoment M folgendermaßen vom Ankerstrom / ab:

M = C₁ /.

(2)

= C,

n.

(3)

Dabei bedeutet U die Ankerklemmspannung des Motors, E die im Anker erzeugte elektromotorische Kraft (Gegen-EMK), / den Ankerstrom des Motors, R_A den Ankerwiderstand des Motors, M das vom Motor erzeugte Drehmoment, η die Drehzahl des Motors, C₁ die Drehmomentkonstante des Motors und C₂ die Drehzahlkonstante des Motors.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, die Motordrehzahl bei veränderlicher Last konstant zu halten. Da die EMK proportional der Drehzahl und der Ankerstrom direkt proportional dem Drehmoment ist, genügt es, die EMK bei veränderlichem Strom konstant zu halten. Das läßt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:

δη δΜ

SE dl

= 0.

Mit wird

ÖE dU

öl

dl

ei

dl

ÖE dU

öi

(4) (D

(5)

Um die Drehzahl bei veränderlicher Last konstant zu halten, ergibt sich -^- = R_A. Das bedemet mit

anderen Worten, wenn die Neigung der Kennlinie U = f (J) gleich dem Wert R^ ist, ändert sich die Motordrehzahl nicht bei Veränderungen des Drehmomentes.

Daraus folgt, daß die Neigung der Kennlinie für die Motordrehzahi und das Drehmoment unter konstanten Verhältnissen gleich Null ist, wenn die Klemmenspannung des Ankers so geregelt wird, daß sie den JJt₁I-AMaIl am Ankerwiderstand kompensiert, wenn sich der Strom bei Belastung ändert. Das dynamische Drehmemerit-Drehzahl-Verhalten hängt von den Zeitkonstanten der elektrischen Schaltung und der mechanischen Belastung ab. Wenn die Kreisverstärkung ~

größer ist als der Wert, der benötigt wird, um die Neigung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie gleich

dU

Die Motordrehzahl π und die Gegen-E MKE stehen bei konstantem magnetischem Fluß Φ, d. h. insbesondere bei konstanter Erregung, zueinander hn Verhältnis:

Null zu halten, d. h. ~

R_A, wird das System unstabil. Daher ist es erwünscht eine leicht negative Neigung dieser Kennlinie ~- < R_A vorzusehen, um

die Stabilität sicherzustellen.

Andere Schaltungsanordnungen können zwar auch die Ankerklemmenspannung bei Belastungsänderungen auf konstante Drehzahl regeln, die erfindungsge- mäiße Schaltungsanordnung ist jedoch einfach aufgebaut, ihre Wirkung ist reproduzierbar, und sie weist ein gutes Verhalten in weiten Temperaturbereichen auf.

Beschreibung der Schaltungsanordnung (F i g. 1)

Zur späteren Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung sind verschiedene Klemmen dam mit den Buchstaben A bis K bezeichnet. Die erste Brückenhälfte umfaßt den Anker 2. der durch ein Ankerschaltbild 1 und einen davon getrennt gezeichneten Ankerwiderstand 12 dargesiclU ist und der mit einem Transistor T, und einem Widerstand 13 in Reihe liegt Der Transistor T, stellt Änderungen des Ankerstroms fest um die Gegen-EMK im Anker 2 konstant zu halten. Die zweite Brückenhälfte umfaßt zwei Transistoren T₂ und T₄ und zwei Widerstände 10 und 11 in Reihenschaltung, wohei der Transistor T. mit dem Transistor T₁ als Stromfühler zusammen arbeitet und die gewünschte Korrektur in der Schal rung festsetzt mit welcher der Sollwert der Gegen EMK im Anker aufrechterhalten wird. Der Transisti ·< T₄ wird von einer am Spannungsteiler 5 abgegriffenen Spannung gesteuert Außerdem ist er Teil einer Anker nachbildung 6, um eine Bezugsspannung aufrechtzu erhalten, mit welcher die Gegen-EMK verglichen und auf die sie geregelt wird.

Ein Transistor T₃ dient als aktiver Teil eines Differenzverstärkers 8. An den Transistor T₃ ist ein Kon-

densator9 angeschlossen, um das Ansprechen der Schaltung auf Stromänderungen und die für die erforderliche Korrektur benötigte Zeit zu beeinflussen. Die zweite Brückenhälfte mit den Transistoren T₂ und T₄ enthält Bauteile, die mit einem bestimmten Impedanzverhältnis relativ zu den Teilen ausgewählt sind, die in der ersten Brückenhälfte mit dem Anker in Reihe geschaltet sind. Das gilt besonders für die Widerstände 10 und 11, deren Impedanzen im folgenden mit XR_A bzw. XR_F bezeichnet werden. Im ersten Zweig liegen als entsprechende Gegenstücke die Widerstände 12 und 13, deren Impedanzen nachfolgend mit R_A bzw. Rp bezeichnet werden. Dadurch soll zum Ausdruck kommen, daß die Impedanz XR_A des Wider-

t r\ Λ α -j υ ι

Standes 10 in einem vorgegebenen Verhältnis X zur Impedanz R_A des Widerstandes 12 steht. Dieselben Überlegungen gelten auch für die Impedanzen XR_F und R_PdcT Widerstände 11 und 13. Eine Zenerdiode 15 legt die Bezugsspannung für die Gegen-E M K zwischen den Klemmen A und B fest.

Im Betrieb schwankt der durch die rechte Brückenhälfte mit dem Anke. 2 fließende Strom / entsprechend den Belastungsänderungen. Wenn sich der Ankerstrom / während des Betriebes ändert, stellen die Transistoren T₁ und T₂ das fest, bewerten den Ankerstrom / und halten die //{-Abfälle in der Schaltungsanordnung sowie die Gegen-EMK im Anker 2 auf einem Wert, der gleich der durch die Einstellung des Spannungsteileit 5 gewählten Bezugsspannung ist, welche zwischen den Klemmen A und B liegt. Somit nehmen die Transistoren T₁ und T₂ den Ankerstrom / dividiert durch X und halten das Ergebnis im Widerstand 10 aufrecht Wenn eia Strom / durch die rechte Brückenhälfte mit dem Anker 2 fließt, dann fließt in der linken Brückenhälfte mit den Transistoren T₂ und T₄ ein Strom /', der in einem vorbestimmten Verhältnis zum Ankerstrom / steht. Der Strom /' wird wie folgt bestimmt:

I'(XR_F) = lR_F, I

V₁₁₀- U„_c+ U„_O+U_FO Vho

U_FO=0, = 0,

= Ufo-

Aus diesen Gleichungen ist zu ersehen, daß mit der Tätigkeit des Stromfiihlers 3 der Ausgleich verschiedener Spannungen zwischen den Transistoren T, und T₂ und verschiedenen Klemmen F, G und H sowie Erde (O) verbunden ist. Die zwischen den Klemmen G und H einerseits und F und G andererseits liegenden Spannungen sind die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T₁ und T₁, die im wesentlichen gleich groß sind. Diese Spannungen heben sich in der Gleichung auf, und schließlich gleicht auch die Spannung zwischen der Klemme H gegen Erde (0) die Spannung zwischen dem Anschluß F gegen Erde (0) aus. Der Widerstand 19 dient als Ableitung für den Leckstrom des Transistors T₃ und hat für die Wirkung der Schaltungsanordnung keine Bedeutung. Ebenso spielt für die Schaltungsanordnung die Spannung zwischen den Klemmen D und F keine Rolle.

Der Transistor T₃ ist in der Schaltungsanordnung enthalten, um mit ihm die zwischen den Klemmen D und K liegende Spannung zu steuern und sie so konstant wie möglich zu halten.

Beim Ausgleich der Spannungen im vorstehend beschriebenen Stromfiihler 3 werden im wesentlichen die Spannungen im unteren Teil der Schaltungsanordnung ausgeglichen. Dadurch wird schließlich ein Ausgleich der Spannungen im oberen Teil der Schaltungsanordnung erreicht, zu welchem der Stromkreis über die Klemmen A, B, C, Z), K, J und schließlich zurück zur Klemme A gehört. Die obere Beziehung oder der Ausgleich der Spannungen wird durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:

U ab + V_BC + y(XRa) - Udk -IRa-E = O, Uab + U_M + IRa - U_M -IR₄-E = O,

Bei dem angegebenen Verhältnis zwischen den Strömen / und /' werden die Spannungen im unteren Teil der Steuerschaltung, die den Stromfühler 3 mit den Transistoren T₁ und T₂ umfaßt, wie folgt bestimmt (O bedeutet Erdklemme):

Beachte: V_AB = U_RHF (U_REI. = Bezugsspannung).

Wie in den obigen Gleichungen gezeigt wird, findet ein Ausgleich der Spannungen im oberen Teil der Schaltungsanordnung mit der Ankernachbildung 6 und dem Anker 2 statt, den man mit dem Ausgleich der Spannungen im Stromfühler 3 vergleichen kann.

2s Die Spannung zwischen den Klemmen A und B, welche als Bezugsspannung für die EMK dient, ist bei dem in den Gleichungen gezeigten Ausgleichscffekt unter allen Lastbedingungen gleich der EMK. Das ist wiederum darauf zurückzuführen, daß der Ankerstrom / multipliziert mit dem Wert des Ankerwiderstandes R_A

einen Wert ergibt, der gleich dem Strom χ multipliziert mit dem Widerstandswert XR_A ist, wobei der Faktor X eine Vervielfachung des Ankerwiderstandswertes R_A darstellt.

Der Spannungsausgleich kann auch wie folgt ausgedrückt werden: Der Spannungsabfall im Versorgungsteil der Basis des Transistors T₄ plus Basis-Emitterspannung des Transistors T₄ plus Spannungsabfall am Widerstand 10 minus Basis-Emitterspannung des Transistors T₃ minus Spannungsabfall am Anker 2 ist gleich Null. Die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T₄ und T₃ heben sich praktisch auf, da sie entgegengesetzte Polarität haben und etwa gleich groß sind.

In der oben beschriebenen Anordnung ist die Gegen-EMK des Ankers 2 gleich der durch die Zenerdiode 15 stabilisierten Spannung an der Basis des Transistors T₄, die sehr konstant gehalten werden kann. Also ist die Gegen-EMK des Ankers 2 im wesentlichen gleich dem durch den Spannungsteiler 5 festgelegten Anteil der Zenerspannung. Man kann auch sagen, daß die Spannung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T₄ der Gegen-EMK des Ankers 2 entspricht.

Zusammengefaßt ergibt die beschriebene Regelung der Motordrehzahl durch Ausgleich der Spannungen sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Schaltungsanordnung, daß die Gegen-EMK des Ankers 2 jederzeit auf der gewünschten Bezugsspannungsgröße gehalten wird, welche zwischen den Klemmen A und B liegt.

Ein Widerstand zwischen der Klemme C und Erde O erscheint in den zuvor erläuterten Spannungsbeziehungen nicht, ist jedoch erforderlich, um die Schaltungsanordnung in Betrieb zu setzen, da der Transistor T₂ unter Einschaltbedingungen nicht leitet. Ohne diesen Widerstand würde im Transistor T₃

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kein Basisstrom fließen. Dann wurden auch die Transistoren T, und T₂ nicht eingeschaltet werden lind die ganze Einrichtung nicht anlaufen. Außerdem legt dieser Widerstand einen Mindest- oder Leerlaufftrom für den Transistor T₄ zur Stabilisierung seiner Basis-Emitterspannung U_be4 fest.

Temperaturkompensation

Ein wesentlicher Vorteii der beschriebenen Schaltungsanordnung liegt in der damit verbundenen Temperaturkompensation, die hauptsächlich auf Grund des Spannungsausgleiches erzielt wird.

Die während des Betriebes auftretende Temperatur beeinflußt hauptsächlich die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T₃ und T₄, wobei eine bezüglich der Temperatur stabile Bezugsspannung angenommen wird. Wie bereits in den vorangehenden Gleichungen gezeigt wurde, haben diese Spannungen den gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität und kompensieren sich deshalb beim Betrieb der Schaltungsanordnung.

U_x=U^₃,

U_AB + U_BC

- U_DK -IR_A-E = O.

U_AB = E.

In den obigen Gleichungen ist die Spannung U_gc gleich der Basis-Emitterspannung U_be4. des Transistors T₄, während die Spannung U_DK gleich der Basis-Emitterspann; ng U^₃ des Transistors T₃ ist. Wie schon p* hriach ausgeführt, sind diese Spannungen gleich groß und von entgegengesetzter Polarität, h ,oen sich also auf. Wie ebenfalls bereits gezeigt wurde, heben sich auch die Spannungen an den Widerständen 10 und 12 auf und erreichen somit einen ausgeglichenen Zustand, wobei die Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B gleich der Gegen-EMK des Motors ist.

Für den unteren Teil der Schaltungsanordnung mit den Transistoren Tj und T₂ gelten die folgenden Beziehungen :

= V_b

Ur.n = U₁

CF-

Die Spannungen an den Widerständen R_F und XR_F heben sich, wie bereits gesagt, gegenseitig auf. Die Änderungen der Basis-Emitterspannung υ_Μ des Transistors T₁ sind gleich und von entgegengesetzter Polarität derjenigen des Transistors T₂. Sie heben sich also ebenfalls auf und halten dadurch bezüglich der Temperatur die Stabilität im unteren Teil der Schaltungsanordnung aufrecht.

Anordnungen zur Einstellung der Bezugsspannung

Die F i g. 2 bis 4 zeigen mehrere Anordnungen zur Einstellung der Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B.

Mit der in F i g. 2 gezeigten Schaltung können zwei BezugsspannungssMllungen in der Schaltung nach F i g. 1 für zwei entsprechende Motordrehzahlen vorgenommen werden. Die Schaltung umfaßt einen Schalter 20 mit zwei Schaltstellungen. Wenn der Schalter 20 eingeschaltet ist, wird die ganze von der Zenerdiode 15 gelieferte Spannung über das Potentiometer 22 an die Steuerstrecke des Transistors T₄ gegeben. Ist der Schalter 20 ausgeschaltet, so wird nur

ι ο die Hälfte der von der Zenerdiode 15 gelieferten Spannung an das Potentiometer 22 gegeben. Somit beträgt die Kollektor-Basisspannung für den Transistor T₄ zwischen den Klemmen A und B bei dieser Schalterstellung die Hälfte der Spannung bei eingeschaltetem

is Schalter 20, wodurch die Motordrehzahl auf die Hälfte z. B. der Nenndrehzahl festgelegt wird.

F i g. 3 zeigt eine Anordnung, in welcher zwei Spannungsteiler 25 und 26 wahlweise durch entsprechende Stellung eines Umschalters 27 angeschlossen werden. Die Abgriffe der Spannungsteiler 25 und 26 sind auf verschiedene Motordrehzahlen einstellbar. Je nach Stellung des Schalters 27 wird die emc oder die andere Motordrehzahl vorgegeben.

F i g. 4 zeigt eine weitere mögliche Anordnung zur Festlegung einer gewünschten Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B. In dieser Schaltung ist der Transistor T₄ enthalten, dessen Basis über ein Potentiometer 30 in Reihe mit einem zweiten Potentiometer 31 an die Klemme A geschlossen ist. Die Zenerdiode 15 liefert eine stabile Bezugsspannung. Wenn angenommen wird, daß das Potentiometer 30 sich stetig linear von einem Endwert seines Bereiches zum anderen Endwert bewegt, so ändert sich das an de: Basis des Transistors T₄ verfügbare Potential ebenfalls linear und liefert dadurch eine Bezugsspannung (Ik die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung, die ein.· lineare Änderung der Motordrehzahl während der jenigen Zeit liefert, die erforderlich ist, um das Potentiometer 30 über seinen ganzen Stellbereich zu beweger An die Basis des Transistors T₄ kann auch eine Leitui> 35 gelegt werden, wodurch ein hyperbolischer Verlam der durch das Potentiometer 30 festgelegten Steuerung möglich ist. Dann ändert sich also sowohl die Be/ui'sspannung zwischen den Klemmen A und B als auiJ:

die zugehörige Motordrehzahl hyperbolisch. Die beiden anderen Potentiometer legen die oberen un-1 unteren Grenzwerte für die Drehzahleinstellung fes·

Arbeitsweise der Schaltungsanordnung 50

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung beim Wechsel von Nenn- zu Höchstlast oder in entgegengesetzter Richtung von Nennlast zu Unterlast wird nachstehend beschrieben. Die Schaltungsanordnung soll die Motordrehzahl z. B. innerhalb von ± 1 % des Sollwertes halten.

Wenn die Motorbelastung an der Welle durch einen Anstieg des Drehmomentes wächst, fällt die Drehzahl ab, und der Ankerstrom / steigt an. Dadurch wird der Strom in der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T, und damit auch in dessen Basis-Emitter-Strecke hochgetrieben. Auf Grund des Stromanstieges nimmt auch die Spannung von Klemme H gegen Erde zu. Da die Basis-Emitter-Spannung U_he bei den verwendeten Transistoren für kleine Stromänderungen annähernd konstant ist, nimmt die Spannung von Klemme G gegen Erde um denselben Betrag zu wie die Spannung von Klemme H gegen Erde.

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Für kleine Stromänderungen ist auch die Basis-Emitter-Spannung U_bl.₂ von Transistor T₂ eine Konstante, und somit nimmt die Spannung von Klemme F gegen Erde um denselben Betrag zu wie von den Klemmen G und H gegen Erde. Dadurch steigt der Strom im Transistor T₂ entsprechend dem Stromanstieg im Transistor T₁ an, und zwar um genau denselben Prozentsatz, wobei die tatsächliche Größe des Stromes durch das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten R_F und XR_F , also X, dividiert wird. Wenn der Ankerstrom ansteigt, steigt sofort auch der ohmsche Spannungsabfall am Ankerwiderstand 12 an. Die Klemmenspannung zwischen A und K am Anker bleibt für etwa 10 msec konstant, da noch keine Reaktion zur Erhöhung erfolgt ist. Der ohtnsche Spannungsabfall wird jedoch sofort erhöhl, wenn der Strom / im Anker und im Transistor T", zunimmt. Somit hat der Spannungsabfall zwischen den Klemmen J und K zugenommen. Da die äußere Klemmenspannung konstant geblieben ist, muß die Gegen-EMK um denselben Spannungswert abfallen, um den die Spannung zwischen den Klemmen J und K ansteigt. Wenn der Strom im Transistor T₁ zunimmt, steigt der Strom im Transistor T₂ um den gleichen Prozentsatz, jedoch eine Kleinigkeit später, an. Daher wächst der Spannungsabfall zwischen den Klemmen C und D am Widerstand XR_A um denselben Betrag, um den die Spannung am Ankerwiderstand 12 zwischen den Klemmen J und K ansteigt.

Da die Spannung zwischen den Klemmen A und C konstant ist, fällt zu diesem Zeitpunkt das Potential an Klemme D um denselben Betrag ab, wie der Spannungsabfall zwischen den Klemmen J und K wächst. Die Klemmenspannung zwischen den Klemmen A und K ist in diesem Zeitpunkt um den Abfall erhöht worden, der zwischen den Klemmen J und K auftrat, und auf (irund des Ansteigens zwischen den Klemmen A und K kehrt die Gegen-EMK des Motors auf ihren Ursprungswert zurück. Wenn die Schaltungsanordnung also eine Änderung des Belastungsdrehmomentes feststellt, beginnt sie augenblicklich, die Moiordrehzahl zu verändern. Ändert sich die Drehzahl, so ändert sich auch der Ankerstrom auf Grund der sich ändernden EMK. Die Schaltungsanordnung stellt jedoch den veränderten Strom fest und regelt innerhalb weniger Millisekunden die Klemmenspannung nach, um die EMK und die Drehzahl auf ihre Ursprungswerte zurückzubringen. Dieser übergang, das heißt die zugehörige Erholungszeit, wird bestimmt durch den Wert des Kondensators 9, der zwischen der Basis des Transistors T₃ und der Basis des Transistors T₂ angeordnet ist.

Es wird noch bemerkt, daß die Drehzahländerung nicht sofort erfolgt, sondern mit einer bestimmten Übergangszeit. Die Reaktionszeit der Schaltung ist daher rasch genug, um größere Drehzahländerungen

wegen Drehmomentschwankungen in den meister Fällen zu verhindern.

Wenn das Drehmoment an der Motorwelle abnimmt, steigt die Drehzahl sofort an, und der Ankerstrom beginnt zu fallen. Der Spannungsabfall zwischen den Klemmen J und X beginnt auch zu fallen. Die Klemmenspannung zwischen den Klemmen A und K konnte sich noch nicht verändern, und der sinkende ohmsche Spannungsabfall wird zur Gegen-EMK des Motors addiert. Wenn der Strom sinkt, fällt auch dei Kollektorstrom des Transistors T₁. Die Spannung zwischen Klemme H und Erde nimmt ebenfalls ab. demzufolge auch die Spannungen zwischen den Klemmen G und F und Erde, und der Strom im Transistor T₂

is fällt um denselben Prozentsatz wie der Strom im Transistor T₁. Der Spannungsabfall am Widerstand 10 nimmt daher von seinem Anfangswert bei Nennlast ebenfalls ab auf einen reduzierten Wert, welcher dem verminderten Kollektorstrom des Transistors T₁ ent-

spricht. Daher steigt auch das Potential an Klemme D an, das Potential an Klemme E ebenfalls und die Spannung zwischen den Klemmen A und K fällt um denselben Betrag ab wie der Spannungsabfall am Widerstand 12. Das Einregu'ieren der Klemmenspan-

nung erniedrigt die Gegen-EMK genau auf den Wert, den sie vor der Verminderung des Motorstroms hatte, und die Drehzahl kehrt auf ihren Nennwert zurück.

Reaktionszeit der Schaltungsanordnung

Die Größe des Kondensators 9 hängt von der Motorleistung sowie von der dynamischen ( harak'enstik der Schaltungsanordnune ab. Datvi wird vci-

sucht, die dynamischen Verhältnisse der mechanischen Einrichtung durch die Reaktionszeit der Schaltungsanordnung auszugleichen, um eine über- oder UnKrsteuerung zu vermeiden, wenn die Drehzahl auf ihren Normalwert zurückkehrt. Wenn der Wert des Konden-

sators nicht richtig gewählt ist. kann die Reeding übersteuert werden und über die Solldrehzahl hinaufschwingen und diese dann wieder von dei anderen Sei'e her erreichen, oder sie kann untersteuert werden und dann die Solldrehzahl zu langsam wieder errci

chen. Der Kondensator 9 ist lediglich für die dynamische Charakteristik des Antriebes vorgesehen und spielt bei der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung sonst keine Rolle. Er bietet insofern einen zusätzlichen Vorteil, als er Kommutierungsstromspitzen u. öd.

ausgleicht, die im Ankerstrom auftreten. Der Kondensator wirkt als Filter und gestattet der Schaltungsanordnung, den Motorstrom auf einem Durchschnittswert zu halten und nicht momentanen Änderungen zu folgen. Der Kondensator dient somit zwei Zwecken

Dampfung der Schaltungsanordnung und Ausfiltervna von Störspannungen oder -strömen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

4001

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Kleinmotors, unter Heranziehung der Gegen-EMK und des Spannungsabfalls am Ankerwiderstand, bestehend aus einer an einer Gleichspannungsquelle liegenden Brückenschaltung mit einer ersten Brükkenhälfte, die den Anker und einen Widerstand enthält, einer zweiten Brückenhälfte mit in Reihe geschalteten Widerständen und einem in der Meßdiagonale angeordneten Regelglied, dadurch gekennzeichnet, daß die ersie Brückenhälfte aus der Reihenschaltung des Ankers ι s (2) und eines Stromfühlers, bestehend aus einem Transistor (T₁) und einem Widerstand (13), und die zweite Brückenhälfte aus der Reihenschaltung einer Ankernachbildung (6) und eines weiteren Stromfühlers, bestehend aus einem Transistor (T₂) und einem Widerstand (11), gebildet ist. daß die Ankernachbildung (6) eine stabilisierte, dem Soll wert der Gegen-EMK entsprechende Bezugsspannung bildet und daß ein Differenzverstärker (8), der auf die miteinander verbundenen Basisemgänge der beiden Transistoren (T₁. T₂) einwirkt, als Regelglied dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankernachbildung (6) aus der Reihenschaltung eines einseitig an einer Klemme (-4) der Gleichspannungsquelle liegenden Transistors (T₄) und eines den Ankerspannungsabfall nachbildendsn Widerstandes (10) besteht und daß die Basis dieses Transistors (T₄) mit einer Bezugsgleichspannungsauelle (5.15) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T₁, 72) der Stromfühler (3) an die Meßklemmen (K, D) der Brückenschaltung angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (8) einen Transistor (T,) aufweist, der zwischen der Meßklemme (K) der ersten Brückenhälfte und den Basiseingängen der Transistoren (T₁, T₂) der Stromfühler (31 liegt und dessen Basis mit der Meßklemme (D) der zweiten Brückenhitlf'e verbunden ist, und daß ein Widerstand (19) zwischen den Basiseingängen der Transistoren 1T₁, T₂) der Stromfühler (3) und der diesen zugeordneten Klemme (O) der Gleichspannungsquelle angeordnet ist.